第五章 高压容器设计
第一节 概述
第二节 高压容器筒体的结构与强度设计
第三节 高压容器的 密封结构与设计计算
第四节 高压容器的主要零部件设计
第一节 概述
工程上：
10MPa<P设 <100MPa 高压容器
100MPa以上 超高压容器
一般属于三类容器
本章专门介绍其特殊的结构和设计方法
第一节 概述
一、高压容器的应用
二、高压容器的结构特点
三、高压容器的材料
一、高压容器的应用
军事工业,炮筒、核动力装置
化学和石油化工,合成氨、合成甲醇、合成尿素、
油类加氢等合成反应的高压反器、高压缓冲与贮存
容器。
电力工业,核反应堆，水压机的蓄力器
发展现状,直径 4.5米，壁厚 280毫米，重约 1000吨,
压力 2000MPa
二、高压容器的结构特点
高压容器设计与制造技术发展的核心问题：
既要随着生产的发展能制造出大壁厚的容器
又要设法尽量减小壁厚以方便制造。
高压容器特点：
1 结构细长
2 采用平盖或球形封头
3 密封结构特殊多样
4 高压筒身限制开孔
三、高压容器的材料
筒体与封头的特殊要求：
1) 强度与韧性
为了提高材料强度以减少壁厚，一般采用
低合金钢，如 16MnR,15MnVR和 18MnMoNBR。
同时为了保证韧性，加入少量（ <2%） Ni和 Cr，
并控制 P和 S含量 <0.004%
三、高压容器的材料
筒体与封头的特殊要求：
2) 制造工艺性能
具有良好的焊接性能
包括可焊性、吸气性、
抗热裂与冷裂倾向、
抗晶粒粗大倾向等、
具有良好的可锻性
三、高压容器的材料
筒体与封头的特殊要求：
3) 其他要求
耐腐蚀性
原材料检验要求较高
第二节 高压容器筒体的结构与强度设计
一、结构型式及设计选型
二、厚壁圆筒的弹性应力分析
三、厚壁圆筒的弹塑性应力分析
四、高压筒体的失效及强度计算
筒体的结构形式
（一）整体锻造式：直径 300～ 800mm，长度 12m
优点：性能优良，缺点：加工费用高
（二）单层式,单层卷焊、单层瓦片和无缝钢管式。
优点：加工简单，缺点：材料设备受限制
（三）多层式：层板包扎式、热套式和绕板式
（四）绕带式：中国独创（ 浙大 ）
一、结构设计及设计选型
（一）整体锻造式
最早采用的筒体型式,
筒体和法兰可整段而出或
用螺纹连接，锻造容器的
质量较好,特别是和与焊
接性能较差的高强钢所制
作的超高压容器,受锻造
条件限制,一般直径为长
度不超过 12米
一、结构设计及设计选型
（二）单层式
单层厚壁高压容器有种形式：
单层卷焊式：直径工序少，周期短效率高
单层瓦片式：生产效率比单层卷焊差，费工费时
无缝钢管式：效率高，周期短
以上三种形式被三方面因素制
1）厚壁材料来源
2）大型机械条件
3）纵向和环向深厚焊逢中缺陷检测
一、结构设计及设计选型
（三）多层式
1）层板包扎式
特点,1.只需薄板，原材料供应方便
2.只需卷板机和包扎机
3.只需筒体应力分布
4.较单层安全
5.内筒可采用与筒体不同的结构
缺点,1.生产效率低
2.层板材料利用率低
3.层板间间隙较难控制
4.导热性差
一、结构设计及设计选型
（三）多层式
2)热套式
特点,1.生产效率高，层数少
2.材料来源广泛利用率高
3.焊缝质量容易保证
3)绕板式
特点,1.效率高
2.材料利用率高
3.机械化程度高
一、结构设计及设计选型
四）绕带式
对原材料要求一般
材料利用率
也相当高
缠绕机简单
制造方便
成本低
一、结构设计及设计选型
（ 五）设计选型原则
需综合原材料来源，配套的焊条焊丝、制造厂
所具备的设备条件和工夹具条件，以及对特殊
材料焊接能力、热处理要求及工厂装备条件等
等，作充分调查论证后才能做到选型正确，确
有把握。
二、厚壁圆筒的弹性应力分析
厚壁容器承受压力载荷作用时产生的应力
具有如下特点：
? 考虑作经向、周向和径向三向应力分析
? 沿壁厚出现应力梯度，薄膜假设不成立
? 不能忽视温差应力
二、厚壁圆筒的弹性应力分析
（一）受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力
几何方程 物理方程 平衡方程
厚壁圆筒的应力与变形分析
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二、厚壁圆筒的弹性应力分析
受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力
（一）力平衡方程：
化简为：
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dr
dr r
r
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二、厚壁圆筒的弹性应力分析
（ 二）几何方程
当单元体两条圆弧边的径向位移分别为 w和 w+dw时
微元体的径向应变：
微元体的周向应变：
对周向应变方程求导、变换可得：
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dr
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dr
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w
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二、厚壁圆筒的弹性应力分析
（三）物理方程
按广义虎克定律可表示为
整理以上方程组得：
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2
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二、厚壁圆筒的弹性应力分析
（一）受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力
求解微分方程，得通解：
根据边界条件当 r＝ Ri时
r＝ Ro时
带入求出 A与 B：
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22
22
22
22 )(
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oioi
io
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RR
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二、厚壁圆筒的弹性应力分析
（一）受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力
内外压作用下厚壁圆筒的三向应力表达式如下：
周向应力
径向应力
轴向应力
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RRpp
RR
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RRpp
RR
RpRp
二、厚壁圆筒的弹性应力分析
（一）受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力
三向应力沿厚度的分布规律如图
1）周向应力 及轴向应力
为正值（拉应力），
径向应力为负值（压应力）
2）在数值上：
① 为所有应力中最大
② 内壁处
外壁处
③ 沿壁厚均匀分
3）应力沿壁厚的不均匀程度与径比 K值有关
R 1 R 0
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二、厚壁圆筒的弹性应力分析
（二）单层厚壁圆筒中的温差应力
1.温差应力方程
物理方程：
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1
1
二、厚壁圆筒的弹性应力分析
（二）单层厚壁圆筒中的温差应力
设轴向应变 ?z保持不变为常数，则 径向和周向的热应力：
代入
解得
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二、厚壁圆筒的弹性应力分析
（二）单层厚壁圆筒中的温差应力
任意 r处的温度 t为：
设
因为内外表面（ r＝ Ri及 r＝ Ro）处
导出稳定传热状态的三向温差应力表达式
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二、厚壁圆筒的弹性应力分析
（二）单层厚壁圆筒中的温差应力
周向温差应力
径向温差应力
轴向温差应力
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KK
KtE
K
K
K
KtE
K
K
K
KtE
rt
z
rrt
r
rrt
二、厚壁圆筒的弹性应力分析
（二）单层厚壁圆筒中的温差应力
温差应力及分布有如下规律：
（ 1）内壁面或外壁面处
的温差应力最大
（ 2）温差应力的大小主
要取决于温差△ t，
其次也与线膨胀系
数有关，△ t取决
于壁厚,K越大△ t越大
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r
r
二、厚壁圆筒的弹性应力分析
（二）单层厚壁圆筒中的温差应力
2.温差应力的工程近似计算
（ 1）计算公式的简化,令
近似计算方法为：
? ???
?
?
12
E
m
tm
t
z
t
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材料 高碳钢 低碳钢 低合金钢 Cr-Mo钢 Cr-Ni钢
m 1.5 1.6 1.7 1.8
二、厚壁圆筒的弹性应力分析
（二）单层厚壁圆筒中的温差应力
2.温差应力的工程近似计算
2）多层圆筒温差应力
工程上近似取为：
对于室外容器
对于室内容器
t为圆筒实际壁厚
t
t
i
t
?????
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0.2
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Ctt
Ctt
15.0
2.0
二、厚壁圆筒的弹性应力分析
（二）单层厚壁圆筒中的温差应力
（ 3）不计温差应力的条件
a）内外壁面的温差△ t≤1.1P 设时
b）有良好的保温层
c）高温操作的容器，材料已发生蠕变变
形时内外层的热膨胀约束逐步解除
二、厚壁圆筒的弹性应力分析
（三）内压与温差同时作用的厚壁圆筒中的应力
在弹性变形的前提下筒壁的综合应力为两种
应力的迭加
内加热情况下内壁应力综合后得到改善，而外壁
有所恶化，外加热时则相反，内壁的综合应力恶
化，而外壁应力得到很大改善。
??? ??????????????? ??? tzzzttrrr,,
二、厚壁圆筒的弹性应力分析
? ? ?
?
r
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R iR i R oR o
r r
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三、厚壁圆筒的弹塑性应力分析
当内压大到使内壁材料屈服后，再增加压力时则
屈服层向外扩展，从而在近内壁处形成塑性层，
塑性层之外仍为弹性层，筒体处于弹塑性状态。
处于塑性状态的单层厚壁圆筒的分解
弹性区
塑性区
R o R o
P c
P c
P i P i
三、厚壁圆筒的弹塑性应力分析
（ 一）塑性层
弹塑性层交界面上压力：
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ln1
ln
i
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c
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三、厚壁圆筒的弹塑性应力分析
（二）弹性层
出现屈服层时屈服层与弹性层的压力分布有明显区
别，卸载之后，塑性层产生残余拉伸变形，弹性层
仍有完全恢复弹性变形的能力，产生残余应力。
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三、厚壁圆筒的弹塑性应力分析
三、厚壁圆筒的弹塑性应力分析
（三）自增强原理
自增强处理就是将厚壁筒在使用前进行大于工作
压力的超压处理，目的是形成预应力使工作时壁
内应力趋于均匀。即塑性层中形成残余压应力，
弹性层中形成残余拉应力。
第一节 概述
第二节 高压容器筒体的结构与强度设计
第三节 高压容器的 密封结构与设计计算
第四节 高压容器的主要零部件设计
第一节 概述
工程上：
10MPa<P设 <100MPa 高压容器
100MPa以上 超高压容器
一般属于三类容器
本章专门介绍其特殊的结构和设计方法
第一节 概述
一、高压容器的应用
二、高压容器的结构特点
三、高压容器的材料
一、高压容器的应用
军事工业,炮筒、核动力装置
化学和石油化工,合成氨、合成甲醇、合成尿素、
油类加氢等合成反应的高压反器、高压缓冲与贮存
容器。
电力工业,核反应堆，水压机的蓄力器
发展现状,直径 4.5米，壁厚 280毫米，重约 1000吨,
压力 2000MPa
二、高压容器的结构特点
高压容器设计与制造技术发展的核心问题：
既要随着生产的发展能制造出大壁厚的容器
又要设法尽量减小壁厚以方便制造。
高压容器特点：
1 结构细长
2 采用平盖或球形封头
3 密封结构特殊多样
4 高压筒身限制开孔
三、高压容器的材料
筒体与封头的特殊要求：
1) 强度与韧性
为了提高材料强度以减少壁厚，一般采用
低合金钢，如 16MnR,15MnVR和 18MnMoNBR。
同时为了保证韧性，加入少量（ <2%） Ni和 Cr，
并控制 P和 S含量 <0.004%
三、高压容器的材料
筒体与封头的特殊要求：
2) 制造工艺性能
具有良好的焊接性能
包括可焊性、吸气性、
抗热裂与冷裂倾向、
抗晶粒粗大倾向等、
具有良好的可锻性
三、高压容器的材料
筒体与封头的特殊要求：
3) 其他要求
耐腐蚀性
原材料检验要求较高
第二节 高压容器筒体的结构与强度设计
一、结构型式及设计选型
二、厚壁圆筒的弹性应力分析
三、厚壁圆筒的弹塑性应力分析
四、高压筒体的失效及强度计算
筒体的结构形式
（一）整体锻造式：直径 300～ 800mm，长度 12m
优点：性能优良，缺点：加工费用高
（二）单层式,单层卷焊、单层瓦片和无缝钢管式。
优点：加工简单，缺点：材料设备受限制
（三）多层式：层板包扎式、热套式和绕板式
（四）绕带式：中国独创（ 浙大 ）
一、结构设计及设计选型
（一）整体锻造式
最早采用的筒体型式,
筒体和法兰可整段而出或
用螺纹连接，锻造容器的
质量较好,特别是和与焊
接性能较差的高强钢所制
作的超高压容器,受锻造
条件限制,一般直径为长
度不超过 12米
一、结构设计及设计选型
（二）单层式
单层厚壁高压容器有种形式：
单层卷焊式：直径工序少，周期短效率高
单层瓦片式：生产效率比单层卷焊差，费工费时
无缝钢管式：效率高，周期短
以上三种形式被三方面因素制
1）厚壁材料来源
2）大型机械条件
3）纵向和环向深厚焊逢中缺陷检测
一、结构设计及设计选型
（三）多层式
1）层板包扎式
特点,1.只需薄板，原材料供应方便
2.只需卷板机和包扎机
3.只需筒体应力分布
4.较单层安全
5.内筒可采用与筒体不同的结构
缺点,1.生产效率低
2.层板材料利用率低
3.层板间间隙较难控制
4.导热性差
一、结构设计及设计选型
（三）多层式
2)热套式
特点,1.生产效率高，层数少
2.材料来源广泛利用率高
3.焊缝质量容易保证
3)绕板式
特点,1.效率高
2.材料利用率高
3.机械化程度高
一、结构设计及设计选型
四）绕带式
对原材料要求一般
材料利用率
也相当高
缠绕机简单
制造方便
成本低
一、结构设计及设计选型
（ 五）设计选型原则
需综合原材料来源，配套的焊条焊丝、制造厂
所具备的设备条件和工夹具条件，以及对特殊
材料焊接能力、热处理要求及工厂装备条件等
等，作充分调查论证后才能做到选型正确，确
有把握。
二、厚壁圆筒的弹性应力分析
厚壁容器承受压力载荷作用时产生的应力
具有如下特点：
? 考虑作经向、周向和径向三向应力分析
? 沿壁厚出现应力梯度，薄膜假设不成立
? 不能忽视温差应力
二、厚壁圆筒的弹性应力分析
（一）受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力
几何方程 物理方程 平衡方程
厚壁圆筒的应力与变形分析
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二、厚壁圆筒的弹性应力分析
受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力
（一）力平衡方程：
化简为：
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二、厚壁圆筒的弹性应力分析
（ 二）几何方程
当单元体两条圆弧边的径向位移分别为 w和 w+dw时
微元体的径向应变：
微元体的周向应变：
对周向应变方程求导、变换可得：
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二、厚壁圆筒的弹性应力分析
（三）物理方程
按广义虎克定律可表示为
整理以上方程组得：
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二、厚壁圆筒的弹性应力分析
（一）受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力
求解微分方程，得通解：
根据边界条件当 r＝ Ri时
r＝ Ro时
带入求出 A与 B：
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二、厚壁圆筒的弹性应力分析
（一）受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力
内外压作用下厚壁圆筒的三向应力表达式如下：
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二、厚壁圆筒的弹性应力分析
（一）受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力
三向应力沿厚度的分布规律如图
1）周向应力 及轴向应力
为正值（拉应力），
径向应力为负值（压应力）
2）在数值上：
① 为所有应力中最大
② 内壁处
外壁处
③ 沿壁厚均匀分
3）应力沿壁厚的不均匀程度与径比 K值有关
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二、厚壁圆筒的弹性应力分析
（二）单层厚壁圆筒中的温差应力
1.温差应力方程
物理方程：
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二、厚壁圆筒的弹性应力分析
（二）单层厚壁圆筒中的温差应力
设轴向应变 ?z保持不变为常数，则 径向和周向的热应力：
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二、厚壁圆筒的弹性应力分析
（二）单层厚壁圆筒中的温差应力
任意 r处的温度 t为：
设
因为内外表面（ r＝ Ri及 r＝ Ro）处
导出稳定传热状态的三向温差应力表达式
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二、厚壁圆筒的弹性应力分析
（二）单层厚壁圆筒中的温差应力
周向温差应力
径向温差应力
轴向温差应力
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K
K
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二、厚壁圆筒的弹性应力分析
（二）单层厚壁圆筒中的温差应力
温差应力及分布有如下规律：
（ 1）内壁面或外壁面处
的温差应力最大
（ 2）温差应力的大小主
要取决于温差△ t，
其次也与线膨胀系
数有关，△ t取决
于壁厚,K越大△ t越大
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二、厚壁圆筒的弹性应力分析
（二）单层厚壁圆筒中的温差应力
2.温差应力的工程近似计算
（ 1）计算公式的简化,令
近似计算方法为：
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材料 高碳钢 低碳钢 低合金钢 Cr-Mo钢 Cr-Ni钢
m 1.5 1.6 1.7 1.8
二、厚壁圆筒的弹性应力分析
（二）单层厚壁圆筒中的温差应力
2.温差应力的工程近似计算
2）多层圆筒温差应力
工程上近似取为：
对于室外容器
对于室内容器
t为圆筒实际壁厚
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Ctt
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二、厚壁圆筒的弹性应力分析
（二）单层厚壁圆筒中的温差应力
（ 3）不计温差应力的条件
a）内外壁面的温差△ t≤1.1P 设时
b）有良好的保温层
c）高温操作的容器，材料已发生蠕变变
形时内外层的热膨胀约束逐步解除
二、厚壁圆筒的弹性应力分析
（三）内压与温差同时作用的厚壁圆筒中的应力
在弹性变形的前提下筒壁的综合应力为两种
应力的迭加
内加热情况下内壁应力综合后得到改善，而外壁
有所恶化，外加热时则相反，内壁的综合应力恶
化，而外壁应力得到很大改善。
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二、厚壁圆筒的弹性应力分析
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三、厚壁圆筒的弹塑性应力分析
当内压大到使内壁材料屈服后，再增加压力时则
屈服层向外扩展，从而在近内壁处形成塑性层，
塑性层之外仍为弹性层，筒体处于弹塑性状态。
处于塑性状态的单层厚壁圆筒的分解
弹性区
塑性区
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P c
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三、厚壁圆筒的弹塑性应力分析
（ 一）塑性层
弹塑性层交界面上压力：
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三、厚壁圆筒的弹塑性应力分析
（二）弹性层
出现屈服层时屈服层与弹性层的压力分布有明显区
别，卸载之后，塑性层产生残余拉伸变形，弹性层
仍有完全恢复弹性变形的能力，产生残余应力。
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三、厚壁圆筒的弹塑性应力分析
三、厚壁圆筒的弹塑性应力分析
（三）自增强原理
自增强处理就是将厚壁筒在使用前进行大于工作
压力的超压处理，目的是形成预应力使工作时壁
内应力趋于均匀。即塑性层中形成残余压应力，
弹性层中形成残余拉应力。
